Šī raksta saturs ir balstīts uz tehniskā novērtējuma ziņojumu, ko 2021. gadā pabeidza Roush Industries Kaelp vārdā. Tas sistemātiski sakrata efektīvu benzīna dzinēju tehniskos ceļus 2025. gadā un pēc tam, atklājot galvenās tehnoloģijas termiskās efektivitātes uzlabošanai un emisiju samazināšanai. Daudzi no šiem tehniskajiem risinājumiem ir ieviesti pašreizējā tirgū.
1. Jaukta gāzes atšķaidīšanas tehnoloģija
Īpašā siltuma koeficienta vērtība tiek palielināta, izmantojot EGR vai gaisa atšķaidīšanu, tādējādi palielinot virzuļa pārnestā darba apjoma daudzumu izplešanās insulta laikā. Šajā attēlā parādīta kompresijas koeficienta (CR) un 𝛾 vērtības ietekme uz nemainīgā tilpuma cikla degvielas pārveidošanas efektivitāti. Gaisa maisījuma 𝛾 vērtība ir aptuveni 1,4, savukārt sadegšanas produktu vērtības (oglekļa dioksīds un ūdens tvaiki) ir zemākas, tuvu 1,3. Cilindra maisījuma 𝛾 vērtība, kas atšķaidīta ar gaisu, ir augstāka, salīdzinot ar maisījumu, kas atšķaidīts, dzesēšanas izplūdes gāzu recirkulācija (CEGR). Tas padara motoru ar liesu sadegšanu (gaisa atšķaidīšanu) efektīvāku ar tādu pašu ekvivalentu atšķaidījumu (ti, degvielas un ne degvielas gāzes maisījuma attiecību cilindrā).
1. Jaukta gāzes atšķaidīšanas tehnoloģija
Īpašā siltuma koeficienta vērtība tiek palielināta, izmantojot EGR vai gaisa atšķaidīšanu, tādējādi palielinot virzuļa pārnestā darba apjoma daudzumu izplešanās insulta laikā. Šajā attēlā parādīta kompresijas koeficienta (CR) un 𝛾 vērtības ietekme uz nemainīgā tilpuma cikla degvielas pārveidošanas efektivitāti. Gaisa maisījuma 𝛾 vērtība ir aptuveni 1,4, savukārt sadegšanas produktu vērtības (oglekļa dioksīds un ūdens tvaiki) ir zemākas, tuvu 1,3. Cilindra maisījuma 𝛾 vērtība, kas atšķaidīta ar gaisu, ir augstāka, salīdzinot ar maisījumu, kas atšķaidīts, dzesēšanas izplūdes gāzu recirkulācija (CEGR). Tas padara motoru ar liesu sadegšanu (gaisa atšķaidīšanu) efektīvāku ar tādu pašu ekvivalentu atšķaidījumu (ti, degvielas un ne degvielas gāzes maisījuma attiecību cilindrā).
1.1. Natalītiski speciālais cilindru reformēšana (D-EGR)
Specializētā EGR sistēma, ko izstrādājis Dienvidrietumu pētniecības institūts (SWRI). Šī sistēma rada reformētu gāzi ar augstu H₂ un CO koncentrāciju, pārveidojot vienu cilindru par eļļas bagātīgu degšanas režīmu. Šīs reformējošās gāzes tiek ieviestas citu cilindru ieplūdes ostās un pilnīga sadedzināšana Si sadedzināšanā [10]. SWRI D-ER demonstrācijas tests, kas veikts ar 2,4 litru PFI, dabiski aspirēto motoru norāda, ka degvielas ekonomija ir uzlabojusies par vairāk nekā 10% visā motora darbības diapazonā.
1.2 Katalītisko atkritumu gāzes recirkulācijas cilpas reforma
Viens no cilindriem darbojas ar liesu gaisa degvielas attiecību un pēc sadedzināšanas izmanto sekundāru degvielas iesmidzināšanas tehnoloģiju. Izplūdes gāzi no šī cilindra apstrādā ar katalizatora gultu un ar endotermisko reakciju palīdzību rada ar ūdeņradi bagātu gāzi. Pārbaudot 2,0 litru GM Ecotec LNF DI motoru, kad rotācijas ātrums sasniedza 2000 apgr./min. Un pastiprināšanas vērtība bija 4 bar, tika sasniegta ūdeņraža ieplūdes koncentrācija 5%. Izgāzu recirkulācijas tilpuma attiecība ir paaugstināta no mazāk nekā 25% līdz vairāk nekā 50%. Šī motora efektivitāte darba vietā ir palielinājusies par 8%, salīdzinot ar etalona vērtību.
2. Paplašināšanās koeficienta optimizācija
Dzinējs ar augstu ģeometrisko kompresijas koeficientu, bet efektīva kompresijas attiecība, kas ir zemāka par efektīvo izplešanās koeficientu, ir efektīvs veids, kā uzlabot motora efektivitāti. Masveida ražotos motoros pārmērīgu paplašināšanas ciklus parasti panāk, iepriekš aizverot ieplūdes vārstus (EIVC) vai aizkavējot ieplūdes vārstu aizvēršanu. Īsāks ieplūdes insults noved pie tā, ka motors vienā ciklā samazina kompresijas daudzumu, tāpēc ir nepieciešams lielāks pārvietošanas motors, lai saglabātu tādu pašu griezes momenta/jaudas līmeni kā neatkinsona/dzirnavnieka dzinēji. Motoriem ar turbokompresoriem, palielinot pastiprināšanas spiedienu, var kompensēt ieplūdes insulta tilpumu. Dzinējiem ar turbokompresoru dzirnavnieku cikliem ir augstāka izplešanās koeficients un zemāka izplūdes temperatūra, tādējādi samazinot pieprasījumu pēc liesas sadegšanas.
Viens izaicinājums, ar kuru saskaras EIVC un LIVC stratēģijas, ir tas, ka turbulence kompresijas insulta beigās vājināsies. 6. attēlā zemāk parādītas turbulentās kinētiskās enerģijas (TKE) izmaiņas cilindrā, kad tiek pieņemtas EIVC un LIVC stratēģijas, salīdzinot ar atsauces dzinēju. Šis TKE samazinājums izraisīs degšanas efektivitātes un sadegšanas nestabilitātes samazināšanos. Dažos gadījumos, salīdzinot ar etalona motoru, tas var pat samazināt efektivitāti un palielināt emisijas.
Šajā attēlā parādīts projektēšanas optimizācijas plāns, kas nepieciešams EA888 trešās paaudzes B tipa motoram (2,0 litru četrcilindru), lai saglabātu iepriekšējās paaudzes ne-dzirstera cikla motora cilindra turbulences līmeni. Šis motors izmanto EIVC tehnoloģiju, lai sasniegtu Millera ciklu, un, izmantojot motora projektēšanas optimizāciju, ir jāuztur turbulence cilindra un sadegšanas efektivitātes iekšpusē.
3. Mazāks cilindru urbuma insulta attiecība
Šajā attēlā parādītas trīs galveno faktoru izmaiņas, kas nosaka motora optimālo urbuma insulta attiecību: virzuļa ātrumu, virsmas laukuma un tilpuma attiecību un spiediena kritumu abās ieplūdes vārsta pusēs. Optimālo urbuma insulta attiecību nosaka šādi faktori:
Vidējais virzuļa ātrums: jo ilgāks gājiens, jo lielāks ir vidējais virzuļa ātrums, vienlaikus ierobežojot maksimālo motora ātrumu. Neatkarīgi no tā, vai tas ir ar turbokompresoru vai dabiski aspirētiem motoriem, vairums no tiem mūsdienās nav sasnieguši vidējā virzuļa ātruma augšējo robežu, ko pašreizējā tehnoloģija var sasniegt (apmēram 25 m/s).
Ieplūdes vārsta spiediena kritiena raksturlielumi: dzinēji ar lielu urbuma attiecību dizainu var palielināt vārsta izmēru, veidojot lielāku plūsmas pārejas laukumu (ti, plūsmas zonu), tādējādi samazinot spiediena kritumu abos vārsta galos un uzlabojot tilpuma efektivitāti. Tomēr lielā ātrumā zemas urbuma koeficienta motoru tilpuma efektivitāte samazināsies, kā rezultātā motora ātruma diapazonā būs priekšlaicīgi samazināts griezes moments un jauda.
Siltuma pārneses efektivitāte: zemāka kompresijas attiecība (BSR) samazinās sadegšanas kameras virsmas un tilpuma attiecību (īpaši netālu no sadegšanas augšējā mirušā centra), tādējādi vājinot sadegšanas siltuma pārneses efektu. Palielinoties kompresijas attiecībai, palielinās sadegšanas kameras virsmas laukuma un tilpuma attiecība, izraisot siltuma pārneses zudumu palielināšanos un kompensējot dažas priekšrocības, ko rada efektivitātes uzlabojums. Šis efekts ir īpaši nozīmīgs Atkinsona-Millera cikla motoros ar ārkārtīgi augstām ģeometriskām kompresijas attiecībām.
Detonācijas pretestība, ko izraisa liesmas izplatīšanās attālums: mazāks cilindra diametra attiecība saīsinās liesmas izplatīšanās attālumu, tādējādi samazinot siltuma izdalīšanās laiku (palielinot nemainīgā tilpuma sadedzināšanas proporciju). Sadegšanas laika saīsināšana arī samazinās detonāciju (terminālās gāzes sasniegšanas laiks ir īsāks). Tas padara iespējamu augstāku kompresijas koeficientu.
Balona un sadegšanas ātruma turbulence: palielinoties virzuļa ātrumam, pastiprinās cilindra turbulence. Kad urbums un insults ir salīdzinoši zems, tādā pašā rotācijas ātrumā un pārvietošanas apstākļos virzuļa rotācijas ātrums faktiski ir lielāks. Šī pastiprinātā turbulence var paātrināt sadegšanas ātrumu un samazināt detonācijas tendenci (jo terminālajam gāzei ir īsāks laiks, lai sasniegtu pašapziņas stāvokli). Tas ļauj motoram pieņemt augstāku kompresijas koeficientu.
4. Termiskās pārvaldības optimizācija
Tipisks SI motors sadegšanas laikā rada lielu daudzumu siltuma, no kuriem apmēram viena trešdaļa tiek pārnesta uz cilindra sienu un dzesēšanas šķidrumā tiek zaudēta vēl viena trešdaļa. Galvenās tehnoloģijas, lai samazinātu siltuma pārneses zudumus, ir:
Palielinot saglabāto lieso maisījumu
Dzinēji, kas izstrādāti ar zemu specifisku virsmas laukuma attiecību (BSR), var efektīvi samazināt sadegšanas kameras virsmas laukuma un tilpuma attiecību, vēl vairāk samazinot siltuma pārneses zudumus
Sadalīta dzesēšanas sistēma - iestatot neatkarīgas dzesēšanas ķēdes cilindru blokam un cilindra galvai, var saglabāt optimālo cilindra galvas un cilindra bloka darba temperatūru. Zemas temperatūras cilindru galviņas var novērst klauvēšanu un atbalstīt augstas kompresijas attiecību. Augstas temperatūras cilindru sienas var samazināt siltuma pārneses zudumus un zemāku berzi. Sadalītā dzesēšanas sistēma var arī paātrināt sadegšanas kameras uzsildīšanu, uzlabot sadegšanas stabilitāti un samazināt izmešus aukstuma sākuma laikā.
Termiskās barjeras pārklājums caur keramikas pārklājumu (piemēram, YSZ Yttria stabilizēta cirkonija) un metāla savienošanas slāņiem var samazināt sadegšanas kameras sienas temperatūru par 150-300 grādiem un samazināt vadīšanas siltuma zudumus caur cilindra bloku un stiedei (uzskaiti 25–30% no kopējā enerģijas zaudējumiem).
Kopsavilkums
Šajā attēlā ir apkopota dažādu tehnoloģiju ietekme uz katru motora darbības saiti. Zaļā daļa norāda uz pozitīvu efektu, savukārt sarkanā daļa rada negatīvu ietekmi. Piemēram, dzesēšanas EGR tehnoloģija var uzlabot maisījuma specifisko siltummaiņu cilindrā, samazināt siltuma pārneses zudumus un tādējādi uzlabot motora efektivitāti. Tomēr tajā pašā laikā šai tehnoloģijai būs nelabvēlīga ietekme uz sadegšanas stabilitāti un sadegšanas ātrumu. Tāpēc, apvienojot to ar augstas enerģijas aizdedzes sistēmu un zemas urbuma attiecības motora dizainu, būs vairāk priekšrocību. Dažas vājas mijiedarbības nav parādītas attēlā, piemēram, saspiešanas koeficienta (ar to pašu cilindru urbuma attiecību) ietekme uz parametriem, piemēram, siltuma pārnesi.
